基于 C8051F 的智能測量系統

2 模塊的工作原理和功能

智能測量模塊的核心是片上系統(SOC)，即 C8051F340 單片機，它具有 USB 通信端口和 A/D 轉換模塊。通過(guò)應用 C8051F340 內含的數字端口實(shí)現對步進(jìn)電機的控制，A/D 模塊 對模擬輸入端的信號進(jìn)行數據采集，通過(guò)芯片中的 USB 端口與上位機進(jìn)行數據交換。采用C8051F340 單片機后，可以充分利用芯片的內部資源，從而節約系統成本。

2.1 步進(jìn)電機控制功能

步進(jìn)電機的控制量為時(shí)鐘脈沖、啟、停和方向控制信號。在實(shí)際應用中啟、停信號和方 向控制信號相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，只要向指定的數字端口輸出高、低電平就能控制步進(jìn)電機的啟動(dòng)、停止、正向和逆向轉動(dòng)。 步進(jìn)電機所需的時(shí)鐘脈沖則要通過(guò)對片內定時(shí)器進(jìn)行編程，使用定時(shí)中斷在指定的數字端口輸出脈沖信號。C8051F340 內含的定時(shí)器 2 是一個(gè) 16 位的計數器/定時(shí)器(見(jiàn)圖 2)，由兩個(gè) 8 位的 SFR 組成：TMR2L(低字節)和 TMR2H(高字節)。定時(shí)器 2 可以工作在 16 位自動(dòng) 重裝載方式、8 位自動(dòng)重裝載方式(兩個(gè) 8 位定時(shí)器)或 USB 幀起始(SOF)捕捉方式。當T2SPLIT =“0”且 T2SOF =“0”時(shí)，定時(shí)器 2 工作在自動(dòng)重裝載的 16 位定時(shí)器方式。

圖 2 定時(shí)器 2 的 16 位方式原理圖

定時(shí)器 2 可以使用 SYSCLK、SYSCLK/12 或外部振蕩器時(shí)鐘/8 作為時(shí)鐘源。當 16 位定 時(shí)器寄存器發(fā)生溢出(從 0xFFFF 到 0x0000)時(shí)，定時(shí)器 2 重載寄存器(TMR2RLH 和 TMR2RLL) 中的 16 位計數初值被自動(dòng)裝入到定時(shí)器 2 寄存器對 TMR2H:TMR2L，并將定時(shí)器 2 高字節 溢出標志 TF2H 置“1”。如果定時(shí)器 2 中斷被允許，每次溢出都將產(chǎn)生中斷。在定時(shí)器 2 的中斷服務(wù)程序中，可根據上位機下達的指令，對中斷次數進(jìn)行計數。當中 斷次數達到指定數值時(shí)立即改變指定端口的數值(0 變 1、1 變 0)，從而就能在該數字端口產(chǎn) 生一個(gè)指定脈寬的脈沖信號。智能測量模塊采用 C8051F340 片內振蕩器(12MHz)產(chǎn)生的 SYSCLK/12 作為定時(shí)器的時(shí)鐘源，數字端口設置為推挽輸出，當重載寄存器的值為 0xFF64 時(shí)能在數字端口輸出最高為3205Hz 的方波。由于所選用的芯片是低電壓、低功耗的高速器件，有時(shí)還存在著(zhù)數字端口與步進(jìn)電機控制電路之間信號電平的匹配問(wèn)題，為此可選用相應的電平轉移電路來(lái)解決。

2.2 數據采集和處理功能

C8051F340 內部有一個(gè) 10 位 SAR ADC 和一個(gè)差分輸入多路選擇器。該 ADC 工作在200ksps 的最大采樣速率時(shí)可提供真正 10 位的線(xiàn)性度。ADC 系統包含一個(gè)可編程的模擬多 路選擇器，用于選擇 ADC 的正輸入和負輸入以及測量信號源。A/D 轉換可以有 6 種啟動(dòng)方式：軟件命令、定時(shí)器 0 溢出、定時(shí)器 1 溢出、定時(shí)器 2 溢出、定時(shí)器 3 溢出或外部轉換啟動(dòng)信號。這種靈活性允許用軟件事件、周期性信號(定時(shí)器溢出)或外部硬件信號觸發(fā)轉換。 一個(gè)狀態(tài)位用于指示轉換完成，或產(chǎn)生中斷(如果被允許)。轉換結束后 10 位結果數據字被鎖存到 ADC 數據寄存器，即 ADC0H 和 ADC0L 中(見(jiàn)圖 3)。

智能測量模塊在數據采集時(shí)，GND 被選擇為負輸入，則 ADC0 工作在單端方式，轉化 碼為 10 位無(wú)符號整數，所測量的輸入信號范圍為 0 ~VREF1023/1024。VREF 為 A/D 轉換 時(shí)的參考電壓，可用片內提供的基準電壓。轉換數據在寄存器對 ADC0H:ADC0L 中的存儲 方式可以是左對齊或右對齊，采用右對齊時(shí)測量結果的數值范圍為 0 ~0x3FF。向 AD0BUSY 寫(xiě)“1”方式提供了用軟件控制 ADC0 轉換的能力。AD0BUSY 位在轉換期間被置“1”，轉 換結束后復“0”。在定時(shí)器 2 的中斷服務(wù)程序中，可根據步進(jìn)電機的工作模式和上位機的指令，確定步進(jìn) 電機運動(dòng)多少步后再啟動(dòng) A/D (AD0BUSY 寫(xiě)“1”)――采集數據，并將數據保存在閃存中。 對于被測信號電平有嚴格的要求，前置放大器的輸出級可用運放 OP07 組成電壓跟隨電路，并在輸出端加裝限壓保護電路以保證單片機模擬輸入端的安全。

2.3 數據通信功能

C8051F340 集成了 USB 功能控制器，用于實(shí)現 USB 接口的外部設備(C8051F340 不能作 USB 主設備)，USB 功能控制器和收發(fā)器具有完整的 USB 2.0 認證，支持全速與低速操作 并包含 8 個(gè)端點(diǎn)管線(xiàn)，控制端點(diǎn)(端點(diǎn) 0)總是作為雙向 IN/OUT 端點(diǎn)，其它端點(diǎn)被作為 3 對IN/OUT 端點(diǎn)管線(xiàn)，通信速度可通過(guò)特殊功能寄存器 USB0XCN 中的 SPEED 位選擇，要使USB0 工作在全速方式，USB0 的時(shí)鐘必須為 48 MHz。當 USB 接收數據時(shí)，串行接口引擎SIE)在接收完一個(gè)完整的數據包后中斷處理器；相應的握手信號由 SIE 自動(dòng)產(chǎn)生。當發(fā)送 數據時(shí)，SIE 在發(fā)送完一個(gè)完整的數據包并且收到相應的握手信號后中斷處理器。智能測量模塊采用 C8051F340 片內振蕩器(12MHz)產(chǎn)生的 SYSCLK，經(jīng)內置的 4 倍時(shí)鐘 乘法器產(chǎn)生 48MHz 時(shí)鐘，使 USB0 工作在全速方式。模塊設置成通過(guò)端點(diǎn) 1 向上位機發(fā)送數據，端點(diǎn) 2 接收上位機送來(lái)的數據，USB 工作在中斷方式。

3 軟件設計及系統測試

模塊通訊協(xié)議的三層結構模型為：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層和數據鏈路層的功能包括各種通訊幀結構的組織和收發(fā), 是由 SOC 本身實(shí)現的, 因此系統的開(kāi)發(fā)將集中在應用層軟件的設計。

固件程序主要包括初始化、主控程序和 3 個(gè)中斷服務(wù)程序。模塊初始化部分就是要定義SOC 的工作頻率，定義模擬、數字端口的輸入/輸出模式，定義 USB 中斷、定時(shí)器 2 中斷和A/D 中斷的工作模式；主控程序處理前臺任務(wù)，主要是響應各類(lèi)中斷和利用公共數據區進(jìn)行數據交換；步進(jìn)電機的控制、數據的采集和數據的通信都將利用中斷服務(wù)程序在后臺實(shí)現。

圖 5 上位機程序框圖

上位機程序采用 VC 可視化開(kāi)發(fā)平臺，對 USB 端口形成的通信管道進(jìn)行標準的讀寫(xiě)操作，從而實(shí)現上位機與 C8051F340 的數據通訊，實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)參數、繪制圖形，并對現場(chǎng)參數進(jìn)行系統分析。上位機程序采用主線(xiàn)程和輔線(xiàn)程協(xié)調工作模式, 可以降低主程序處理時(shí)間, 提高通訊效率。

對圖 1 所示的系統進(jìn)行測試：分別對橢圓偏振片、圓偏振片組成的光路進(jìn)行光強分布測試，步進(jìn)電機由 C8051F 單片機控制，每秒鐘轉一圈測 200 個(gè)數據；PC 機通過(guò) USB 口接收數據，并對數據進(jìn)行分析和擬合，根據偏振片的不同組合，可得到圓形、橢圓形、腰果形等不同類(lèi)型的圖形。

4 結束語(yǔ)

論文提出的基于 C8051F340 的智能測量系統由于采用小體積貼裝芯片，不必外接其它A/D 轉換和 USB 通信接口器件，減小了整機的體積，提高了整機的性?xún)r(jià)比和可靠性。測試表明，該模塊在實(shí)際檢測過(guò)程中能夠準確的提取被測對象的信號特征，各項指標都符合測試要求。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：采用 Silicon Laboratories 公司最新推出的一款微控制器 C8051F340 為 智能測量系統的核心，因其可提供 USB 功能，集測量控制、數據采集、數據通訊為一體，便于軟件開(kāi)發(fā)，并減小了整機的體積，提高了整機的性?xún)r(jià)比和可靠性。